Frostsikring av ubebodde bygninger
Ingrid Dolva
Master i energi og miljø
Hovedveileder: Natasa Nord, EPT Medveileder: Per Olaf Tjelflaat, EPT
Institutt for energi- og prosessteknikk Innlevert: desember 2017
Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet
V
Forord
Denne masteroppgaven er utarbeidet av Ingrid Dolva i løpet av ellevte semester av masterstudiet Energi og miljø ved NTNU.
Hovedformålet med oppgaven er å analysere et tiltak for frostsikring av en ubebodd bygning.
Metoden går ut på at en soloppvarmet vanntank blir plassert i en indre sone som er isolert med fiberisolasjon og et vannlag som skal fungere som PCM. Det skal undersøkes om denne måten å frostsikre en bygning på fungerer, og om den reduserer fritidsboligens energibehov.
Jeg ønsker å rette en stor takk til professor Per Olaf Tjelflaat og førsteamanuensis Natasa Nord for god veiledning underveis i arbeidet med oppgaven. Jeg vil også takke postdoktor Martin Thalfeldt og stipendiat John Clauss og for hjelp med IDA ICE.
Asker, 24. desember 2017 Ingrid Dolva
VI
Sammendrag
Å redusere energiforbruket i bygningssektoren er meget viktig for å sikre en bærekraftig fremtid. Fritidsboliger representerer en del av den norske bygningsmassen, og direkte elektrisk oppvarming brukes ofte til frostsikring av sanitærinstallasjoner i ubebodde perioder.
Det er derfor ønskelig å undersøke alternative frostsikringsmetoder. I denne masteroppgaven er det hovedfokus på fritidsboliger lokalisert i Sør-Norge som ikke er knyttet til elektrisitetsnettet.
En metode som utnytter solenergi til å frostsikre en ubebodd fritidsbolig analyseres i denne oppgaven. Metoden for frostsikring går ut på at en soloppvarmet vanntank plasseres i en indre isolert sone i en bygning som er isolert med fiberisolasjon og et vannlag. Den indre sonen huser sanitærinstallasjoner og rørsystemer. Vannlagets høye smeltevarme utnyttes til å holde lufttemperaturen over 0 ℃ og fungerer som PCM.
Gjennom flere år har en del masterstudenter arbeidet med ulike løsninger for frostsikring av fritidsboliger. Alle disse oppgavene har vist at det er veldig hensiktsmessig med en indre, isolert sone som huser sanitærinstallasjoner ettersom det da er et mye mindre volum som må holdes frostfritt sammenliknet med å varme opp hele bygningen. En av studentene utførte en LCA på ulike fritidsboligkonsepter, og denne viste at en hytte bygget i heltre på påler vil gi et meget lavt CO2-utslipp.
I denne masteroppgaven har ulike versjoner av en modell for fritidsboligen med vannlag, vanntank og solfanger har blitt simulert i programmet IDA ICE. Klimadata fra Östersund, Tjøme, Calgary og Fairbanks er blitt brukt. Først ble elektrisk oppvarming av den indre sonen med en ovn ble undersøkt ved bruk av simuleringer. Det var tydelig at energibruken var mye høyere da hele fritidsboligen ble varmet opp sammenliknet med bare den indre sonen. Videre var energibruken for å frostsikre hyttemodellen veldig forskjellig for de ulike stedene, og Fairbanks var den byen som utvilsomt krevde mest energi til oppvarming.
Simuleringene av fritidsboligen med vannlag og soloppvarmet tank i den indre sonen viste at løsningen fungerer godt. Et hensiktsmessig konsept for Östersund har et vannlag på 2.5 cm, 7.5 cm isolasjon rundt den indre sonen og en vanntank på 200 liter med 5 cm isolasjon rundt.
Med denne løsningen implementert ble en stor andel av vannlaget utnyttet, samtidig som en del fortsatt var flytende den kaldeste delen av året og fungerte som en sikkerhetsmargin.
Ettersom klimadataene som er benyttet representerer typiske år, bør man ha i bakhodet at
VII
veldig kalde vintre kan forekomme. Isolasjonstykkelsen rundt vanntanken er ganske tynn, noe som også viste seg å være fordelaktig i Tjøme og Calgary.
For Tjøme og Calgary ble simuleringene gjort uten vannlag. Ettersom klimaet i Tjøme er såpass mildt kunne man benytte det samme fritidsboligkonseptet som i Östersund uten vannlag med et godt resultat. Men, man bør ha en form for sikkerhet for særlig kalde vintre her også, og det kan være et vannlag på 1 cm.
I Calgary er det lave utetemperaturer om vinteren og gode solforhold. For å utnytte solinnstrålingen var det fordelaktig med en stor solfanger og tank. En sikkerhetsmargin tilsvarende den i Tjøme vil også være fordelaktig i denne byen. I Fairbanks var man nødt til å ha mye isolasjon rundt den indre sonen, et tykt vannlag og en stor vanntank med en del isolasjon rundt for å oppnå frostfrie forhold i den indre sonen.
En simulering ble også gjort i Fokstua, og et godt fritidsboligkonsept for Östersund ble benyttet. Resultatene viste at denne løsningen fungerte godt i Fokstua, og det er dermed rimelig å anta at den også vil fungere i andre fjellområder i Sør-Norge.
Det konkluderes med at den analyserte metoden for å frostsikre ubebodde bygninger på fungerer godt og er meget energieffektiv. I tillegg er den robust ettersom den er uavhengig av strømnettet og automatisk igangsetting av alternative oppvarmingsløsninger.
VIII
Abstract
Reducing the energy consumption in the building sector is very important for ensure a sustainable future. Leisure homes represent a part of the buildings in Norway, and electrical heating is often used for frost proofing of sanitary installations during uninhabited periods. It is therefore of interest to investigate other frost proofing methods. In this master thesis the main focus is on leisure buildings located in southern Norway that are not connected to the electricity grid.
A method for frost proofing of an uninhabited building is analysed in this thesis. The method involves a solar heated water tank placed in an inner zone in the building which is insulated with fibre insulation and a water layer. The inner zone contains sanitary installations and pipes. The large amount of latent heat in the water layer is exploited to keep the air temperature above 0 ℃ and acts as a PCM.
Through several years master students have worked on different solutions for frost proofing of leisure buildings. All these previous theses have shown that it is very advantageous to have an inner, well insulated zone with sanitary installations as a much smaller volume must be kept frost free compared to heating the entire building. One of the students performed an LCA on different types of cabins, and the results showed that a wooden leisure building on stilts will have a very small amount of CO2 emissions.
Different versions of a model of the leisure home with a water layer, water tank and solar collector have been simulated in the program IDA ICE in this master thesis. Climate data from Ostersund, Tjøme, Calgary and Fairbanks have been used. First, electrical heating of the inner zone was investigated. From the simulations it was clear that the energy use was much higher when the entire holiday home was heated compared to only the inner zone. The energy use for frost proofing the cabin model was very different for the various locations, and Fairbanks was the city that undoubtedly used the most electricity for heating purposes.
The simulations of the leisure building with a water layer and solar heated tank in the inner zone showed that the solution works well. A good concept for Ostersund has a water layer of 2.5 cm, 7.5 cm insulation around the inner zone and a 200 litres tank with 5 cm insulation.
With this solution implemented, a large portion of the water layer is utilized while a part is still liquid during the coldest part of the year and serves as a safety margin. Because the climate files used represent typical years, the fact that very cold winters can occur should be
IX
considered. The insulation thickness around the water tank is quite thin, which proved to be beneficial in Tjøme and Calgary as well.
For Tjøme and Calgary, the simulations were done without a water layer. As the climate in Tjøme is quite mild, it is possible to use the same concept for the leisure building as in Ostersund without a water layer with a good result. However, a safety margin should be implemented here as well in case of an especially cold winter, and this can be a 1 cm water layer.
In Calgary, the outdoor temperature is low during the winter and the sun conditions are good.
To utilize the solar irradiation it was beneficial with a large solar collector and tank. A safety margin similar to the one in Tjøme will also be advantageous in this city. In Fairbanks it was necessary with a lot of insulation around the inner zone, a thick water layer and a large water tank with quite a bit of insulation to achieve frost free conditions in the inner zone.
A simulation was also done in Fokstua, and a good leisure building concept for Ostersund was used. The results showed that this solution worked well in Fokstua, and it is therefore reasonable to assume that it will work in other mountain areas in southern Norway as well.
The conclusion is that the analysed method for frost proofing of uninhabited buildings works well and is very energy efficient. In addition, it is resilient as it is independent of a connection to the electricity grid and alternative heating solutions that starts automatically.
X
Innhold
Forord ... V Sammendrag ... VI Abstract ... VIII Innhold ... X Figurliste ... XIII Tabelliste ... XVIII
1 Innledning ... 1
2 Bakgrunn ... 3
2.1 Frysing av vann ... 3
2.1.1 Fysisk prosess ... 3
2.1.2 Frysing i rør ... 3
2.2 Frostsikring av rør ... 4
2.2.1 Frostsikringsmetoder for sanitærinstallasjoner i bygninger ... 6
2.2.2 Frostsikring av vannbårne varmesystemer ... 9
2.2.3 Frostsikring av termiske solfangere ... 9
2.3 Frostmengde ... 10
2.4 Termisk lagring av solenergi ... 11
2.4.1 Følbar varmelagring ... 13
2.4.2 Faseendringsmedier ... 13
3 Tidligere arbeid ... 19
3.1 Utvikling av konsept for en nullutslipps fritidsbolig ... 21
3.2 LCA vurdering av konsepter for en fritidsbolig ... 24
3.3 Modellering av varmeveksling med grunnen og analyse av energibruk for en fritidsbolig ... 27
3.4 Analyse av et varmelager i grunnen under en fritidsbolig ... 28
3.5 Analyse av alternativer for frostsikring av en fritidsbolig ... 29
XI
3.6 Oppsummering av tidligere arbeid ... 31
4 Frostsikringsmetode med bruk av vann som PCM for fritidsboliger uten strømtilknytning 34 4.1 Utvalgte steder for analyse av frostsikringsmetoden ... 34
4.1.1 Klima i Östersund ... 34
4.1.2 Klima i Tjøme ... 38
4.1.3 Klima i Calgary ... 42
4.1.4 Klima i Fairbanks ... 46
4.1.5 Sammenlikning av klima for de utvalgte stedene ... 50
4.2 Modellen av fritidsboligen ... 53
4.2.1 Frostsikringsmetoder ... 56
4.2.2 Scenarier for analyse av fritidsboligmodellen ... 59
4.3 Simulering av fritidsboligen i IDA ICE ... 63
4.3.1 Om IDA ICE ... 63
4.3.2 Oppbygning av modellen i IDA ICE ... 63
4.4 Resultater og analyse ... 65
4.4.1 Test simulering av PCM ... 65
4.4.2 Fritidsboligmodellen uten oppvarming ... 67
4.4.3 Analyse av energibruk ved elektrisk oppvarming av den indre sonen ... 74
4.4.4 Parameterstudie av frostsikringsmetoden med vannlag, termisk solfanger og vanntank78 4.4.5 Vurdering av frostsikringsmetoden med vannlag, termisk solfanger og vanntank 94 5 Diskusjon ... 113
6 Konklusjon ... 115
7 Videre arbeid ... 117
Litteraturliste ... 118 Vedlegg ... I
XII
Vedlegg A: Ytterligere resultater fra simuleringer ... II A.1 Ytterligere resultater fra Östersund ... II A.2 Ytterligere resultater fra Tjøme ... VIII A.3 Ytterligere resultater fra Calgary ... XII A.4 Ytterligere resultater fra Fairbanks ... XVII Vedlegg B: Grafer som viser sammenhengen mellom størrelsen på parametere og minimumstemperaturen i den indre sonen for Tjøme og Calgary ... XXV Vedlegg C: Grafer som viser sammenhengen mellom størrelsen på parametere og latent restenergi i vannlaget for Fairbanks ... XXVIII Vedlegg D: Utkast til artikkel for publisering i en internasjonal journal ... XXXII
XIII
Figurliste
Figur 2.1: Forsøk som illustrerer fryseprosessen til vann i et rør (Gordon, 1996)
Figur 2.2: Frostsprengt rør som lekker vann og omfattende frostskader på et bad (Pihl og Aamodt-Hansen, 2012) og (Grosvold, 2016)
Figur 2.3: Illustrasjon av hytta i masteroppgaven til Telneset (Telneset, 2014)
Figur 2.4: Solfangersystem med integrert solfanger og varmelagring (Currie et al., 2008) Figur 2.5: Variasjon i solinnstråling og energibehov gjennom et år for en lavenergibolig i Oslo (Andresen, 2008)
Figur 2.6: Temperatur-energi diagram for et typisk faseendringsmedium (Haase et al., 2007) Figur 2.7: Temperatur i rom med og uten PCM (Behzadi and Farid, 2010)
Figur 2.8: Klassifisering av PCM (Cui et al., 2015)
Figur 3.1: Skisse av fritidsboligmodellen fra ESP-r sett ovenfra og fra siden (Gråbergsveen, 2014)
Figur 3.2: Prinsippskisse av oppbygningen av fritidsboligmodellen i ESP-r (Løge, 2014) Figur 3.3: Prinsippskisse av fritidsboligen i Børset sin masteroppgave
Figur 3.4: Prinsippskisse i snitt av fritidsboligen i Børset sin masteroppgave Figur 3.5: Elektrisitetsbehov til frostsikring for ulike fritidsboliger (Børset, 2009)
Figur 3.6: Resultater fra utført livssyklusanalyse på ni ulike hyttekonsepter (Bratteberg, 2010) Figur 3.7: Prinsippskisse av fritidsboligmodellen for konsept 1 (Bratteberg, 2010)
Figur 3.8: Prinsippskisse av den simulerte fritidsboligen i Auråen sin masteroppgave Figur 3.9: Prinsippskisse av fritidsboligen i Gråbergsveen sin masteroppgave
Figur 3.10: Prinsippskisse av fritidsboligen i Rimstad sin masteroppgave Figur 3.11: Prinsippskisse i snitt av fritidsboligen i Rimstad sin masteroppgave Figur 4.1: Östersunds geografiske plassering (Google Maps)
Figur 4.2: Utetemperatur i Östersund
Figur 4.3: Frekvens av utetemperatur i Östersund Figur 4.4: Direkte normal solinnstråling i Östersund
Figur 4.5: Direkte normal solinnstråling sortert med hensyn på utetemperatur i Östersund Figur 4.6: Diffus solinnstråling på en horisontal overflate i Östersund
Figur 4.7: Færder fyrs geografiske plassering (Google Maps) Figur 4.8: Utetemperatur i Tjøme
Figur 4.9: Frekvens av utetemperatur i Tjøme Figur 4.10: Direkte normal solinnstråling i Tjøme
XIV
Figur 4.11: Direkte normal solinnstråling sortert med hensyn på utetemperatur i Tjøme Figur 4.12: Diffus solinnstråling på en horisontal overflate i Tjøme
Figur 4.13: Lokasjonen til Calgary (Google Maps) Figur 4.14: Utetemperaturen i Calgary
Figur 4.15: Frekvens av utetemperaturen i Calgary Figur 4.16: Direkte solinnstråling i Calgary
Figur 4.17: Direkte normal solinnstråling sortert med hensyn på utetemperatur i Calgary Figur 4.18: Diffus solinnstråling på en horisontal overflate i Calgary
Figur 4.19: Den geografiske plasseringen til Fairbanks (Google Maps) Figur 4.20: Utetemperatur i Fairbanks
Figur 4.21: Frekvens av utetemperaturen i Fairbanks Figur 4.22: Direkte normal solinnstråling i Fairbanks
Figur 4.23: Direkte normal solinnstråling sortert med hensyn på utetemperatur i Fairbanks Figur 4.24: Diffus solinnstråling i Fairbanks
Figur 4.25: Sammenlikning av frostmengde for de ulike stedene
Figur 4.26: Sammenlikning av dimensjonerende utetemperatur for de ulike stedene (Variant VVS), (Siemens Building Technologies, 2010), (International Code Council, 2006) og (URECON)
Figur 4.27: Sammenlikning av årsmiddeltemperatur for de ulike stedene Figur 4.28: Modellen sett ovenfra (IDA ICE)
Figur 4.29: Modellen i 3D (IDA ICE)
Figur 4.30: Skisse av den indre sonen (størrelsesforholdene er ikke helt korrekte) Figur 4.31: Prinsippskisse av fritidsboligen
Figur 4.32: Prinsippskisse av fritidsboligen i snitt
Figur 4.33: Simulert temperatur i vannlaget for testsimuleringen i januar og litt av februar Figur 4.34: Temperatur i indre sone uten oppvarming for Östersund
Figur 4.35: Frekvens av temperaturen i den indre sonen uten oppvarming for Östersund Figur 4.36: Temperatur i indre sone uten oppvarming for Tjøme
Figur 4.37: Frekvens av temperaturen i den indre sonen uten oppvarming for Tjøme Figur 4.38: Temperatur i indre sone uten oppvarming for Calgary
Figur 4.39: Frekvens av temperaturen i den indre sonen uten oppvarming for Calgary Figur 4.40: Temperatur i indre sone uten oppvarming for Fairbanks
Figur 4.41: Frekvens av temperaturen i den indre sonen uten oppvarming for Fairbanks
XV
Figur 4.42:Sammenlikning av minimumstemperatur i indre sone for alle stedene uten oppvarming
Figur 4.43: Grafisk illustrasjon av energibruk for de ulike oppvarmingsalternativene i Östersund
Figur 4.44: Sammenlikning av energibruk for å frostsikre den indre sonen for alle stedene Figur 4.45: Simulert temperatur i vannlaget for scenario Ö.1, Ö.2.1, Ö.2.2, Ö.2.3 og Ö.2.4 Figur 4.46: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario Ö.1, Ö.2.1, Ö.2.2, Ö.2.3 og Ö.2.4 Figur 4.47: Temperatur i vanntanken for scenario Ö.1, Ö.5.1 og Ö.5.2
Figur 4.48: Varmetap fra vanntanken for scenario Ö.1, Ö.5.1 og Ö.5.2
Figur 4.49: Simulert minimumstemperatur i vannlaget for alle scenariene i Östersund Figur 4.50: Minimumstemperatur i den indre sonen for alle scenariene i Östersund Figur 4.51: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario T.1, T.2.1 og T.2.2 Figur 4.52: Minimumstemperatur i indre sone for alle scenariene i Tjøme Figur 4.53: Temperatur i den indre sonen for scenario T.1, T.2.1 og T.2.2 Figur 4.54: Minimumstemperatur i indre sone for alle scenariene i Calgary Figur 4.55: Simulert temperatur i vannlaget for scenario F.1, F.2.1, F.2.2 og F.2.4 Figur 4.56: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario F.1, F.2.1, F.2.2 og F.2.4 Figur 4.57: Temperatur i vanntanken for scenario F.1, F.5.1 og F.5.2
Figur 4.58: Varmetap fra vanntanken for scenario F.1, F.5.1 og F.5.2
Figur 4.59: Simulert minimumstemperatur i vannlaget for alle scenariene i Fairbanks
Figur 4.60: Simulert minimumstemperatur i vannlaget for scenariene der den er over 0 ℃ i Fairbanks
Figur 4.61: Minimumstemperatur i indre sone for alle scenariene i Fairbanks
Figur 4.62: Minimumstemperatur i indre sone for scenariene der den er over 0 ℃ i Fairbanks Figur 4.63: Latent restenergi for scenario Ö.1, Ö, 2.2, Ö.2.3 og Ö.2.4
Figur 4.64: Latent restenergi for scenario Ö.1, Ö.3.1 og Ö.3.2 Figur 4.65: Latent restenergi for scenario Ö.1, Ö.4.1 og Ö.4.2 Figur 4.66: Latent restenergi for scenario Ö.1, Ö.5.1 og Ö.5.2 Figur 4.67: Latent restenergi for alle scenariene i Östersund
Figur 4.68: Frekvens av temperaturen i den indre sonen for scenario Ö.5.1
Figur 4.69: Temperatur i tanken og i indre sone for scenario Ö.5.1, og i indre sone uten frostsikring
Figur 4.70: Simulert temperatur i vannlag og lufttemperatur i indre sone for scenario Ö.5.1 Figur 4.71: Simulert og justert temperatur i den indre sonen for scenario Ö.5.1
XVI
Figur 4.72: Frekvens av temperaturen i den indre sonen for scenario T.4.1 Figur 4.73: Frekvens av temperaturen i den indre sonen for scenario C.4.1 Figur 4.74: Latent restenergi for alle scenariene i Fairbanks
Figur 4.75: Frekvens av lufttemperaturen i den indre sonen for scenario F.5.2
Figur 4.76: Temperatur i tanken og i indre sone for scenario F.5.2, og i indre sone uten frostsikring
Figur 4.77: Simulert og justert lufttemperatur i indre sone for scenario F.5.2 Figur 4.78: Temperaturer fra simuleringen i Fokstua
Figur A.1: Temperatur i vanntanken for scenario Ö.1, Ö.2.1, Ö.2.2, Ö.2.3 og Ö.2.4 Figur A.2: Varmetap fra vanntanken for scenario Ö.1, Ö.2.1, Ö.2.2, Ö.2.3 og Ö.2.4 Figur A.3: Simulert temperatur i vannlaget for scenario Ö.1, Ö.3.1 og Ö.3.2
Figur A.4: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario Ö.1, Ö.3.1 og Ö.3.2 Figur A.5: Temperatur i vanntanken for scenario Ö.1, Ö.3.1 og Ö.3.2
Figur A.6: Varmetap fra vanntanken for scenario Ö.1, Ö.3.1 og Ö.3.2 Figur A.7: Simulert temperatur i vannlaget for Ö.1, Ö.4.1 og Ö.4.2
Figur A.8: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario Ö.1, Ö.4.1 og Ö.4.2 Figur A.9: Temperatur i vanntanken for scenario Ö.1, Ö.4.1 og Ö.4.2
Figur A.10: Varmetap fra vanntanken for scenario Ö.1, Ö.4.1 og Ö.4.2 Figur A.11: Simulert temperatur i vannlaget for scenario Ö.1, Ö.5.1 og Ö.5.2 Figur A.12: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario Ö.1, Ö.5.1 og Ö.5.2 Figur A.13: Temperatur i vanntanken for scenario T.1, T.2.1 og T.2.2
Figur A.14: Varmetap fra vanntanken for scenario T.1, T.2.1 og T.2.2
Figur A.15: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario T.1, T.3.1 og T.3.2 Figur A.16: Temperatur i vanntanken for scenario T.1, T.3.1 og T.3.2
Figur A.17: Varmetap fra vanntanken for scenario T.1, T.3.1 og T.3.2
Figur A.18: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario T.1, T.4.1 og T.4.2 Figur A.19: Temperatur i vanntanken for scenario T.1, T.4.1 og T.4.2
Figur A.20: Varmetap fra vanntanken for scenario T.1, T.4.1 og T.4.2 Figur A.21: Temperatur i vanntanken for scenario C.1, C.2.1 og C.2.2 Figur A.22: Varmetap fra vanntanken for scenario C.1, C.2.1 og C.2.2
Figur A.23: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario C.1, C.3.1 og C.3.2 Figur A.24: Temperatur i vanntanken for scenario C.1, C.3.1 og C.3.2
Figur A.25: Varmetap fra vanntanken for scenario C.1, C.3.1 og C.3.2
Figur A.26: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario C.1, C.4.1 og C.4.2
XVII
Figur A.27: Temperatur i vanntanken for scenario C.1, C.4.1 og C.4.2 Figur A.28: Varmetap fra vanntanken for scenario C.1, C.4.1 og C.4.2
Figur A.29: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario C.1, C.5.1 og C.5.2 Figur A.30: Temperatur i vanntanken for scenario C.1, C.5.1 og C.5.2
Figur A.31: Varmetap fra vanntanken for scenario C.1, C.5.1 og C.5.2 Figur A.32: Temperatur i vanntanken for scenario F.1, F.2.1, F.2.2 og F.2.3 Figur A.33: Varmetap fra vanntanken for scenario F.1, F.2.1, F.2.2 og F.2.3 Figur A.34: Simulert temperatur i vannlaget for scenario F.1, F.3.1, F.3.2 og F.3.3 Figur A.35: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario F.1, F.3.1, F.3.2 og F.3.3 Figur A.36: Temperatur i vanntanken for scenario F.1, F.3.1, F.3.2 og F.3.3
Figur A.37: Varmetap fra vanntanken for scenario F.1, F.3.1, F.3.2 og F.3.3 Figur A.38: Simulert temperatur i vannlaget for scenario F.1, F.4.1 og F.4.2 Figur A.39: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario F.1, F.4.1 og F.4.2 Figur A.40: Temperatur i vanntanken for scenario F.1, F.4.1 og F.4.2
Figur A.41: Varmetap fra vanntanken for scenario F.1, F.4.1 og F.4.2 Figur A.42: Simulert temperatur i vannlaget for scenario F.1, F.5.1 og F.5.2 Figur A.43: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario F.1, F.5.1 og F.5.2 Figur A.44: Simulert temperatur i vannlaget for scenario F.1, F.6.1 og F.6.2 Figur A.45: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario F.1, F.6.1 og F.6.2 Figur A.46: Temperatur i vanntanken for scenario F.1, F.6.1 og F.6.2
Figur A.47: Varmetap fra vanntanken for scenario F.1, F.6.1 og F.6.2 Figur B.1: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario T.2.1, T.1 og T.2.2 Figur B.2: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario T.3.1, T.1 og T.3.2 Figur B.3: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario T.4.1, T.1 og T.4.2 Figur B.4: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario C.2.1, C.1 og C.2.3 Figur B.5: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario C.3.1, C.1 og C.3.2 Figur B.6: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario C.4.1, C.1 og C.4.2 Figur B.7: Lufttemperatur i den indre sonen for scenario C.5.1, C.1 og C.5.2 Figur C.1: Latent restenergi for scenario F.1, F.2.2 og F.2.3
Figur C.2: Latent restenergi for scenario F.1, F.3.2 og F.3.3 Figur C.3: Latent restenergi for scenario F.4.1, F.1, og F.4.2 Figur C.4: Latent restenergi for scenario F.5.1, F.1, og F.5.2 Figur C.5: Latent restenergi for scenario F.6.1, F.1, og F.6.2
XVIII
Tabelliste
Tabell 1: Oversikt over egenskapene til forskjellige faseendringsmedier (Farid et al., 2004), (Kumano et al., 2007) og (Cabeza et al., 2011)
Tabell 2: Energibehov for ulike bygningskonstruksjonene (Børset, 2009) Tabell 3: Materialer og egenskaper i fritidsboligen
Tabell 4: Oversikt over scenariene fra Östersund Tabell 5: Oversikt over scenariene fra Tjøme Tabell 6: Oversikt over scenariene fra Calgary Tabell 7: Oversikt over scenariene fra i Fairbanks
Tabell 8: Effekt- og energibruk for de ulike oppvarmingsalternativene i Östersund Tabell 9: Effekt- og energibruk for å frostsikre den indre sonen i for alle stedene
1
1 Innledning
Verden i dag står ovenfor en stor utfordring knyttet til menneskeskapte klimaendringer og begrensede energiressurser. Et viktig tiltak som er satt i gang for å sikre en bærekraftig utvikling er EUs klima- og energimål for 2020. Disse målsettingene innebærer en reduksjon i klimagassutslipp på 20 %, at 20 % av energiproduksjonen i EU skal være fornybar, i tillegg til at energieffektiviteten skal økes med 20 %. Innen 2050 er målet at klimagassutslippene skal reduseres med 80 % i forhold til nivået i 1990 (European Commission).
Bygningssektoren er et viktig ledd for at det skal være mulig å nå disse målene. Denne sektoren representerer 40 % av den totale energibruken på verdensbasis, og for Norge ligger andelen på 38 % hvis man ser bort ifra energisektoren. Selv om norske bygninger i stor grad er basert på fornybar energi fra vannkraft er forbedringspotensialet stort. Direkte elektrisitet dekker mesteparten av oppvarmingsbehovet for en stor andel av bygningsmassen, og dette er noe man ønsker å gå bort ifra. Videre har gjennomsnittspersonen i Norge verdens største forbruk av elektrisitet (Novakovic et al., 2007).
Den norske bygningsmassen inkluderer mange fritidsboliger og hytter, og antallet har hatt en betydelig økning de siste tiårene. Standarden har også blitt vesentlig bedre, og det er i dag veldig vanlig at fritidsboliger har innlagt vann og strøm (Ericsson, 2006). Dette fører til et økt elektrisitetsforbruk og en større belastning på strømnettet. En utfordring er også at sanitærinstallasjoner og rørsystemer må frostsikres for å hindre frostskader. Den vanligste måten å gjøre dette på er å varme opp fritidsboligen med elektrisitet gjennom hele året, noe som krever ganske mye energi. Det er derfor ønskelig å undersøke andre metoder for å holde sanitærinstallasjonene frostfrie.
Målet med denne masteroppgaven er å analysere et tiltak for å frostsikre en ubebodd bygning som innebærer en indre isolert sone som huser sanitæranlegg. Metoden utnytter solenergi ved at en soloppvarmet vanntank plasseres i den indre sonen i fritidsboligen som er isolert med fiberisolasjon og et vannlag. Vannlagets høye smeltevarme utnyttes til å holde sanitærinstallasjonene frostfrie. Løsningen vil være energieffektiv og uavhengig av tilknytning til elektrisitetsnettet, noe som også gjør den robust.
Hovedfokuset er på frostsikring av fritidsboliger i Sør-Norge, men andre steder i verden som kan ha behov for et slikt tiltak er også analysert. Resultatene kan være nyttige for andre typer bygninger enn fritidsboliger. Undertegnedes prosjektoppgave behandlet også dette temaet, og det bygges videre på den oppgaven.
2
Underveis i arbeidet med masteroppgaven har det oppstått flere utfordringer. En av disse var å simulere fritidsboligmodellen med PCM. En tilleggsfunksjon for PCM ble installert i IDA ICE, og denne er foreløpig ikke helt optimal. Det har det vist seg at noen kombinasjoner av verdier på parametere er vanskelig å simulere. For eksempel har det skjedd at simuleringer ikke har fungert når vannlaget har vært ganske tynt. Det antas at når noen versjoner av modellen ikke fungerer er det fordi vannlaget fryser for fort. En rask faseendring blir sannsynligvis vanskelig å håndtere for IDA ICE. Det er blitt forsøkt å gjøre mange simuleringer som ikke har fungert, og noen av disse er nevnt underveis i oppgaven.
Videre har det vært vanskelig å finne relevant og god litteratur om frostsikring av rørsystemer og sanitærinstallasjoner, og ulike metoder for dette. Mye tid har derfor blitt brukt på å lete etter litteratur som kan brukes. Det er derfor tydelig at det ikke er gjort så mye forskning på området.
Den første delen av oppgaven vil være et litteraturstudie. Hensikten med dette er å forklare bakgrunnen for oppgaven og gi leseren innsikt i forskning som er gjort på området. Deretter presenteres en oversikt over tidligere masteroppgaver som også har arbeidet med å analysere konseptløsninger for frostsikring av fritidsboliger. I de neste delene beskrives fritidsboligmodellen og stedene det er valgt å benytte klimadata fra. I de siste delene av oppgaven analyseres resultatene fra simuleringene av den ubebodde bygningen.
3
2 Bakgrunn
2.1 Frysing av vann
Når vann fryser til is utvides volumet med 9 %, og dette kan skape forskjellige typer utfordringer (Sherbeck and Fette, 2015). En av disse er at rør med vann kan sprenge på grunn av frost.
2.1.1 Fysisk prosess
Når vann fryser til is foregår det i flere stadier. Først kjøles vannet ned, og dette skjer gjerne grunnet minusgrader i omgivelsene. Videre faller temperaturen på vannet under 0 ℃, som er frysepunktet til vann, og blir underkjølt. Årsaken er at frysepunktet blir lavere ved økende trykk. Vannet blir deretter gradvis varmere fordi små iskrystaller dannes, og den latente varmen fra isformasjonen tas opp av vannet. Når det har blitt dannet sammenhengende is fra krystallene er temperaturen tilbake på 0 ℃. Deretter er den konstant mens alt vannet endrer fase og fryser til is, og hvor lang tid dette tar kommer an på vannmengdens volum. Når alt vannet er frosset vil temperaturen begynne å falle under frysepunktet og etter hvert nærme seg temperaturen til omgivelsene (Gordon, 1996).
2.1.2 Frysing i rør
Når vann i rør fryser til is foregår det på tilsvarende måte som forklart over. I en forskningsrapport fra Illinois i USA er et forsøk beskrevet, som gikk ut på at fryseprosessen til vann i et rør ble analysert ved å plassere det i en fryser (Gordon, 1996). Temperaturforløpet til røret og fryseren kan observeres i figur 2.1.
4
Figur 2.1: Forsøk som illustrerer fryseprosessen til vann i et rør (Gordon, 1996)
Fra figur 2.1 kan man observere at temperaturen til røret stemmer overens med fryseprosessen beskrevet i delkapittelet over. Det er mulig å se at vannet i røret først blir underkjølt før temperaturen plutselig legger seg på 0 ℃. På dette stadiet dannes det først et tynt lag med is inntil veggen i røret, og deretter fortsetter isen å vokse inn mot midten. Denne ringformede isformasjonen fører etter hvert til at en ispropp dannes og blokkerer røret.
I den samme forskningsrapporten kommer det frem at når et vannrør sprenger grunnet frost, skjer det ikke fordi isdannelse fører til økt trykk mot veggene i røret slik mange tror.
Frostsprengningen skjer fordi isen som vokser medfører et økt trykk i vannet som omgir den.
Isdannelse forekommer som regel først et utsatt sted i røret, for eksempel i en del som er utsatt for kald trekk. Isen vokser gradvis slik som beskrevet ovenfor, og det dannes etter hvert en ispropp. Ofte skapes det da en avgrenset del av røret, for eksempel mellom isproppen og en vask. Vanntrykket i denne delen vil øke etter hvert som isen vokser, noe som etter hvert vil føre til at røret sprekker opp (Gordon, 1996).
2.2 Frostsikring av rør
I kalde perioder vil det være en risiko for at vann i sanitærinstallasjoner og rørsystemer fryser, noe som ofte fører til at blant annet rør sprenges slik som beskrevet i forrige delkapittel.
Resultatet blir som regel kostbare skader. Fritidsboliger er spesielt tilbøyelige ettersom de er ubebodde store deler av året, i tillegg til at mange ligger i fjellområder der utetemperaturen
5
ofte er veldig lav om vinteren. Men også i helårsboliger som står tomme over kortere perioder forekommer det frostskader. Frostskadene i hytter er imidlertid gjerne mer omfattende ettersom de får utvikle seg gjennom lengre perioder fordi bygningen ikke er i bruk.
Konsekvensene kan dermed bli store råteskader som følge av langvarige vannlekkasjer fra frostsprengte rør. Slike skader er utfordrende og kostbare å reparere, og kan gjøre fritidsboligen ubrukelig i lang tid (Kommunal Landspensjonskasse (KPL), 2012).
I 2010 var det en usedvanlig kald vinter. Dette året var utbetalingene fra forsikringsselskapene i Norge for skader forårsaket av vannlekkasjer som er et resultat av frost på 842 millioner kroner. Året etter, i 2011, var det en mer normal vinter, og utbetalingene var da på 242 millioner (Pihl og Aamodt-Hansen, 2012). Disse tallene illustrerer hvor stort skadeomfanget frostskader i bygninger får. Og i tillegg til de økonomiske kostnadene er det veldig ergerlig å ikke få brukt fritidsboligen sin på en stund slik man ønsker. Sannsynligvis er det også mange som bekymrer seg for at frostskader skal utvikle seg på hytta mens man ikke er der, og dette kan være en psykisk belastning. Figur 2.2 illustrerer skadeomfanget som frost i rør og sanitæranlegg kan føre med seg.
Figur 2.2: Frostsprengt rør som lekker vann og omfattende frostskader på et bad (Pihl og Aamodt- Hansen, 2012) og (Grosvold, 2016)
Vannstrålen på bildet til venstre i figur 2.2 kan føre til store ødeleggelser hvis den ikke blir oppdaget tidlig. Frostskadene man ser på bildet til høyre vil være kostbare å reparere.
Det finnes flere typer utfordringer knyttet til frostsikring. Vannbårne oppvarmingsanlegg har blitt vanligere de siste årene, og det er også en utfordring å holde disse frostfrie når boligen står tom. Termiske solfangere har vært i vinden den siste tiden, og det er viktig å utvikle gode løsninger slik at solfangersystemene ikke får frostskader.
6
2.2.1 Frostsikringsmetoder for sanitærinstallasjoner i bygninger 2.2.1.1 Elektrisk oppvarming
Direkte elektrisk oppvarming av hele bygningen er en veldig vanlig måte å frostsikre en ubebodd bygning på, og Vannskadekontoret ved SINTEF Byggforsk anbefaler at hele fritidsboligen varmes opp til 10 ℃ for å unngå frostskader (SINTEF Byggforsk). Å frostsikre en hytte på en slik måte fører til et høyt elektrisitetsforbruk som vil utgjøre en stor utgift for hytteeieren i tillegg til å belaste elektrisitetsnettet og bidra til klimagassutslipp. Det er derfor av stor interesse å undersøke alternative metoder for å oppnå frostfrie sanitærinstallasjoner og rør, og særlig for fritidsboliger.
2.2.1.2 Nedtapping
Å utføre nedtapping av rør og sanitærinstallasjoner er også en utbredt metode for å unngå frostskader. Denne metoden krever imidlertid kunnskap, og kan være utfordrende og tidkrevende å gjennomføre. Professor Per Olaf Tjelflaat ved NTNU uttaler at det kan være utfordrende å tømme sanitærinstallasjoner og rør for vann. Luft må slippes inn i alle kranene i bygningen for at vannet skal kunne tappes ut. Videre er det i noen sanitærinstallasjoner en mulighet for at vannet kan bli stengt inne slik at det blir vanskelig å få ut. Deler av installasjonene må da demonteres for å fjerne det gjenværende vannet.
2.2.1.3 Varmekabler
Varmekabler som installeres inni eller utenpå rørene er et produkt som kan brukes til å frostsikre en bygning. Det finnes flere forskjellige slike kabler på markedet. Produsenten Ebeco tilbyr for eksempel en varmekabel tilpasser effekten automatisk ut ifra omgivelsestemperaturen (Ebeco heating solutions). Slike varmekabler er imidlertid avhengige av elektrisitet, og vil ikke fungere dersom et strømbrudd skulle inntreffe. Varmekabler er også mer ment for å sikre vannrør mot frost enn komponenter som toaletter, vannkraner og avløpssluk.
2.2.1.4 Kontinuerlig tapping
Det finnes mange forskjellige råd og tips for å unngå frostskader i rørsystemer. Et av disse går ut på å kontinuerlig tappe litt vann fra kranen slik at den drypper gjennom den ubebodde perioden om vinteren. Man kan enkelt gjøre dette ved å åpne kranen litt før man reiser fra bygningen. Denne metoden er fordelaktig fordi trykket i rørsystemet vil reduseres. Isdannelse fører til økt trykk, og det er dette som resulterer i frostsprengte rør (Akyurt et al., 2002).
Kontinuerlig tapping er imidlertid en ganske usikker metode ettersom den ikke forhindrer at
7
vann fryser til is i rørene. I tillegg fører den med seg et vannforbruk som kan bli stort over tid.
Dette kan bli problematisk for vannverket som den aktuelle fritidsboligen benytter, spesielt i perioder med lite nedbør. Videre er det ikke lurt å anbefale å la vannet renne da man kan risikere at vannet fryser i avløpet slik at det tilstoppes.
2.2.1.5 Ekspansjonskamre
En frostsikringsmetode som diskuteres i forskningsrapporten fra Illinois i USA som ble nevnt tidligere, går ut på å redusere det høye vanntrykket som oppstår i rørsystemer når vann fryser.
Det foreslås at trykkreduksjonen kan gjøres ved å benytte ekspansjonskamre som legges inn i rørsystemet. Vannet kan da bevege seg inn i disse kamrene når trykket blir for høyt, og man unngår at røret sprekker opp (Gordon, 1996). Dette kan være en god frostsikringsmetode, men det krever mye arbeid for å lage slike ekspansjonskamre og installere dem i et rørsystem. Det vil være en stor utfordring å få montert dem alle utsatte steder.
2.2.1.6 Frostsikringsmetode utviklet ved NTNU
En alternativ løsning for å frostsikre sanitærinstallasjoner i fritidsboliger er blitt utforsket og analysert i flere masteroppgaver ved NTNU. Denne frostsikringsmetoden er et helhetlig konsept for bygninger, og går ut på at sanitæranleggene og rørsystemer samles i en indre, godt isolert sone midt i bygningen. Dermed reduseres volumet som må varmes opp for å hindre frost kraftig. I tillegg blir frostsikringen enkel å gjennomføre ettersom bare den indre sonen må holdes varm. Man sparer også plass fordi man ikke trenger å isolere hele bygningen godt, noe som ville redusert fritidsboligens volum. Med en indre sone kan resten av fritidsboligen isoleres moderat, og vedfyring kan brukes når den er bebodd. Denne frostsikringsmetoden vil bli ytterligere diskutert og forklart i neste kapittel.
Dette arbeidet med frostsikring av ubebodde bygninger ble initiert av professor Per Olaf Tjelflaat i 1998, og har pågått gjennom masteroppgaver siden den gang. Registrering av konseptet med en indre isolert sone for sanitæranlegg ble utført ved TTO ved NTNU i 2010.
2.2.1.7 Frostsikringsmetode fra masteroppgave ved NMBU
En annen frostsikringsmetode er undersøkt i en masteroppgave fra NMBU skrevet av Marit Telneset. Temaet for denne oppgaven er en hytte som skal driftes på fornybar energi. For å frostsikre bygningen på en miljøvennlig måte tas det også her utgangspunkt i å designe hytta slik at sanitæranleggene er samlet i et velisolert rom for å redusere oppvarmingsbehovet.
Figur 2.3 illustrerer frostsikringsmetoden i tillegg til løsninger for energiforsyning som er foreslått i masteroppgaven. Disse løsningene er solcellepaneler, vindturbin og batterier.
8
Figur 2.3: Illustrasjon av hytta i masteroppgaven til Telneset (Telneset, 2014)
I figur 2.3 kan frostsikringsmetoden som foreslås i masteroppgaven fra NMBU observeres.
Den går ut på å lage et system som transporterer vann, som er varmt grunnet geotermisk energi, opp fra en fjellbrønn omtrent 150 meter ned i grunnen. Dette vannet sirkuleres i veggene i rommet som skal frostsikres. Beregningene gjort av Telneset viser at denne måten å frostsikre hytta på kan holde temperaturen i det velisolerte rommet på 5 ℃ gjennom vinteren.
Volumstrømmen til vannet i veggene er da på 0.88 liter per minutt, og det trengs en pumpe på 2.29 mW for å starte sirkulasjonen. For å transportere vannet opp fra brønnen kreves det en pumpe på 5.56 mW (Telneset, 2014). Dette kan være en god løsning for å frostsikre en fritidsbolig, men man må bore 150 m ned i bakken, noe som vil kreve en stor investering.
9
2.2.2 Frostsikring av vannbårne varmesystemer
Vannbårne systemer for oppvarming av bygninger kan også være utsatt for frostproblematikk.
Vannet som sirkulerer i slike systemer i en ubebodd bygning er utsatt for frost dersom innetemperaturen faller under 0 ℃. Dette kan føre til skader slik som i andre rørsystemer.
En patent fra USA beskriver en frostsikringsmetode for et vannbårent system. Metoden utnytter at vann transporteres fra en varmtvannstank og sirkuleres rundt i rør. Vannet i rørene vil kjøles ned mye raskere enn vannet i tanken. Grunnen til dette er at de har mye større overflate i forhold til vannmengden i dem sammenliknet med en vanntank. Tanken er også gjerne bedre isolert. Metoden går ut på at en temperatursensor gir beskjed dersom temperaturen i rørene nærmer seg 0 ℃. Når det skjer begynner en pumpe å sirkulere vannet, slik at varmt vann fra tanken transporteres ut i rørene, og det kalde vannet sirkuleres til tanken. Dermed tar det mye lengre tid før det eventuelt blir frost i rørsystemet (Laing and Laing, 2003).
Dette kan være en god løsning, spesielt for helårsboliger som skal stå tomme en kort periode.
Det er lurt å ha en alternativ oppvarmingsløsning tilgjengelig i tillegg dersom temperaturen i rørene og varmtvannstanken blir faretruende lav.
2.2.3 Frostsikring av termiske solfangere
Termiske solfangeranlegg er en lovende teknologi for å utnytte solenergi til oppvarmingsformål. Solfangere eksponeres for værforholdene utendørs, og er derfor utsatt for frost når utetemperaturen er lav. At solfangersystemer fryser kan føre til kostbare skader slik som i sanitæranlegg og rør. Det kan dermed være utfordrende å benytte denne teknologien i områder med kaldt klima.
Vanlige løsninger for å unngå frostskader i solfangeranlegg er å benytte frostvæske i stedet for vann i solfangersystemet, og å installere utstyr for å automatisk tømme ut væsken i solfangeren om natten. En metode kan også være å transportere væsken i solfangeren omvendt vei slik at solvarmen fra tidligere utnyttes til å holde anlegget som er utendørs varmt på nattestid (Zhou et al., 2017).
Videre er plane solfangere mer utsatt for frostskader enn vakuumrør solfangere. Grunnen til dette er at vakuumrør solfangere har mindre varmetap til omgivelsene (Zambolin and Del Col, 2010).
10
Det finnes også en type solfangersystem som kombinerer solfanger og lagring av varmtvann i samme enhet. Figur 2.4 illustrerer oppbygningen av et slikt system.
Figur 2.4: Solfangersystem med integrert solfanger og varmelagring (Currie et al., 2008) Figur 2.4 viser et solfangersystem der det soloppvarmede vannet lagres direkte i solfangeren.
På grunn av varmtvannstanken er det mye vann som må kjøles ned, noe som fører til at denne typen solfangeranlegg ikke er like utsatt for frost som solfangersystemer med en separat akkumulatortank. I tillegg er systemet gjerne godt isolert, noe som bidrar til å redusere varmetapet til omgivelsene. Flere studier har vist at ulike typer av slike systemer med solfanger og varmelagring i samme enhet ikke fryser når utetemperaturen er under 0 ℃ i lengre perioder. De er derfor godt egnet til å brukes på vinterstid i områder med relativt kaldt klima. Videre har slike solfangersystemer en ganske enkel oppbygning, og krever ikke en like stor investering som et anlegg med en separat varmelagringstank. (Smyth et al., 2001).
2.3 Frostmengde
Frostmengde er en størrelse som kan brukes til å vurdere hvor lang og kald vinteren er et sted.
Den beregnes ved å summere utetemperaturene for en gitt lokasjon gjennom hele frostsesongen som er den delen av året der den daglige midlere utetemperaturen er mindre enn 0 ℃. Man legger sammen både positive og negative temperaturer, og enheten er time grader (h℃). Ofte multipliserer man daglig midlere utetemperatur med 24 i beregningene for å få time grader.
Det finnes flere typer frostmengder. Frostmengden kan beregnes for et normalår, altså et år med utetemperaturer som er typiske for det aktuelle stedet. Disse temperaturene er gjerne basert på en trettiårsperiode. En annen type er dimensjonerende frostmengde, og dette er frostmengden som blir overskredet én gang i løpet av et gitt antall år, statistisk sett. Hvor
11
mange år man velger å basere beregningene sine på avhenger av hva den dimensjonerende frostmengden skal brukes til (SINTEF Byggforsk, 2012).
Et anslag for frostmengden for et normalår i Östersund i Sverige kan beregnes basert på klimadata som kan hentes ut gjennom simuleringsprogrammet IDA ICE. Disse dataene er av typen IW2 representerer et typisk år i Östersund. Ved å legge sammen utetemperaturene for alle timene gjennom frostsesongen blir frostmengden 11 772 h℃. Denne verdien gir en indikasjon på hvor lang og kald vinteren er i Östersund (Standard Norge, 2001). Ettersom man bare har utetemperaturen for dette typiske året når man benytter en slik klimafil er det ikke mulig å beregne den dimensjonerende frostmengden. For å gjøre dette må man ha tilgang på temperaturmålinger for mange år. Den dimensjonerende frostmengden vil ofte være en god del høyere enn den for et normalår.
2.4 Termisk lagring av solenergi
Termisk lagring går ut på å lagre varme i et matreale. I bygninger utnyttes dette ved å lagre termisk energi som kan utnyttes til oppvarming eller kjøling (Haase et al., 2007).
Solenergi er en fornybar energikilde med et stort potensiale. En utfordring knyttet til denne energikilden er imidlertid at etterspørselen som oftest er størst når tilgjengeligheten er minst.
Det er gjerne mest behov for oppvarming på vinterstid og nattestid, og da er mengden solinnstråling minst. Figur 2.5 viser hvordan solinnstråling og energibehov varierer gjennom et år i en lavenergibolig i Oslo.
12
Figur 2.5: Variasjon i solinnstråling og energibehov gjennom et år for en lavenergibolig i Oslo (Andresen, 2008)
Fra figur 2.5 kan man tydelig se at oppvarmingsbehovet er størst i vintermånedene, og at det er mest solinnstråling om sommeren. Termisk lagring av solenergi er velegnet til å håndtere denne ubalansen i tilgjengelighet og etterspørsel av solinnstråling. Ved å benytte varmelagring er det mulig å nyttiggjøre seg av en større andel av solenergien (Novo et al., 2010). Denne lagringsteknologien muliggjør også bruk av solfangersystemer i større grad ettersom varmen fra disse systemene kan lagres over lengre tid (Xu et al., 2014).
Varmelagring kan brukes til å dekke flere forskjellige energilagringsbehov. Korttidslagring lagrer termisk energi i noen timer eller dager. Et eksempel kan være lagring av solvarme fra dag til natt i sommersesongen. Sesonglagring eller langtidslagring går over en lengre periode og benyttes til å for eksempel lagre solenergi fra sommeren til bruk om vinteren (Terry et al., 2012). Det er også mulig å bruke termisk lagring til å lagre solvarme over en eller to uker, for eksempel fra en godværsperiode til en periode med skyet vær.
Termisk lagring kan benyttes til å dekke ulike behov i en bygning, blant annet varmt forbruksvann, bygningsoppvarming og frostsikring. Ulike vanntemperaturer trengs til de forskjellige formålene. Man bør ha vann med en temperatur på over 60 ℃ til varmt forbruksvann, gjerne 65 til 70 ℃. Til bygningsoppvarming trengs det en temperatur et sted mellom 30 og 70 ℃. Temperaturnivået avhenger av hva slags oppvarmingssystem som brukes (Stene, 2005).
13
Det finnes tre ulike prinsipper for varmelagring: lagring av følbar varme, latent varmelagring ved bruk av faseskiftende stoffer og termokjemisk lagring (Xu et al., 2014). Her vil det hovedsakelig fokuseres på latent varmelagring, og litt på følbar varmelagring.
2.4.1 Følbar varmelagring
Dette prinsippet for varmelagring går ut på at følbar varme lagres i utvalgte materialer gjennom en temperaturøkning. Det skjer ingen faseending når temperaturen heves (Fernandez et al., 2010). Varmemengden som lagres kommer an på hvor mye temperaturen økes og det gitte materialets spesifikke varmekapasitet (Terry et al., 2012). I forhold til andre lagringsprinsipper blir denne teknologien ansett for å være relativt enkel og billig. I tillegg er den velutviklet og godt utprøvd (Xu et al., 2014).
Følbar varmelagring er egnet for både sesongvarmelagring og korttidslagring. For korttidslagring brukes metoder som lagring av varmt vann i tanker og utnyttelse av bygningens termiske masse. Ofte brukes dyrere og litt mer avanserte løsninger til sesongvarmelagring (Pinel et al., 2011). For eksempel er det vanlig i Europa å bruke et eller flere solfangeranlegg til å varme opp en stor varmtvannstank. Soloppvarmet vann lagres da gjerne fra sommersesongen til vinteren. Tanken kan være gravd ned under bakken for å minimere varmetapet på vinterstid (Novo et al., 2010).
2.4.2 Faseendringsmedier
Faseendringsmedier, eller «Phase Change Materials» (PCM) på engelsk, absorberer varme gjennom en faseovergang fra fast til flytende (Terry et al., 2012). Denne egenskapen utnyttes i bygninger ved at store mengder latent varme kan akkumuleres rundt smeltepunktet uten at materialets temperatur øker. Dermed kan faseendringsmedier utnyttes til oppvarming eller kjøling uten tilførsel av ekstra energi (Haase et al., 2007). Figur 2.6 viser hvordan energien til et typisk PCM matreale øker ved konstant temperatur i faseovergangen.
14
Figur 2.6: Temperatur-energi diagram for et typisk faseendringsmedium (Haase et al., 2007)
Faseendringsmedier kan brukes til å øke varmekapasiteten til en bygning. I en bygningskonstruksjon med høy varmekapasitet er det mulig å akkumulere mye varme uten at overoppheting forekommer. Samtidig tar det lang tid å varme opp bygget fordi det krever en stor energimengde. Ved å benytte PCM kan man øke varmekapasiteten til en bygning samtidig som den vil reagere raskt på oppvarmingssystemet. De fleste faseendringsmedier har lav varmekapasitet under smeltepunktet slik at bygget kan varmes opp fort. Når smeltetemperaturen er nådd absorberes varmen i PCM materialet ved konstant temperatur, og overoppheting kan unngås (Terry et al., 2012). For å få en bygning som reagerer raskt på oppvarmingssystemet benyttes PCM som regel i lette konstruksjoner. Dersom man velger en passende type PCM er det mulig å få en bygning med en termisk lagringskapasitet som er mye høyere enn den man får ved å bruke tunge konstruksjonsmaterialer (Haase et al., 2007).
Figur 2.7 viser typiske temperatursvingninger i et rom med og uten PCM.
15
Figur 2.7: Temperatur i rom med og uten PCM (Behzadi and Farid, 2010)
Det er mulig å observere fra figur 2.7 at temperaturen varierer mindre for rommet med PCM sammenliknet med uten. Grunnen til dette er den høye varmekapasiteten til bygget når PCM benyttes. Dermed reagerer ikke rommet like mye på utendørs temperatursvingninger.
Det finnes mange ulike typer PCM materialer som brukes i bygninger. Når et egnet faseendringsmedium skal velges bør man vurdere hvilken type som kan passe til det gitte bygningsprosjektet. Det er fordelaktig å overveie de termodynamiske, kinetiske og kjemiske egenskapene til materialet. I tillegg er det lurt å ta økonomiske forhold med i betraktningen (Haase et al., 2007). Mer enn 200 ulike kjemiske forbindelser har blitt vurdert som lovende faseendringsmedier til bruk i bygninger (Cui et al., 2015).
Figur 2.8: Klassifisering av PCM (Cui et al., 2015)
Figur 2.8 viser hvordan de forskjellige typene PCM kan klassifiseres. Det er tre hovedgrupper basert på kjemisk oppbygning: organiske, uorganiske og kompositt PCM materialer (Cui et al., 2015). Innenfor organiske materialer finnes parafiner som er det mest brukte faseendringsmediet i bygninger. Parafiner har en relativt høy latent varme og en variasjon i
16
smeltepunkt mellom 20 og 70 oC. Ulemper er lav konduktivitet i tillegg til stor volumendring i faseendringen fra fast og flytende. Fettsyrer er en type stoffer som kommer fra plante- og dyrefett, og disse faseendringsmediene er gjerne tre ganger så dyre som parafiner. En fordel er at fettsyrer har liten volumendring når de endrer fase. Av uorganiske materialer er det hovedsakelig hydrater av salter som benyttes. Disse har høyere tetthet og er mer konduktive enn organiske materialer (Terry et al., 2012). Tabell 1 viser en rekke egenskaper for ulike faseendringsmedier.
Smelte- energi [kJ/kg]
Smelte- punkt [℃]
Tetthet [kg/m3]
Volumetrisk smelteenergi [MJ/m3]
Termisk konduktivitet [W/mK]
Vann/is 334 0 1000
(flytende) 920 (fast)
307.3 (fast) 0.6 (flytende) 1.88 (fast)
Uorganisk PCM:
CaCl2 ×6H2O 191 29 1562
(flytende) 1802 (fast)
298.3 (flytende)
0.54 (flytende) 1.1 (fast)
FeBr3×6H2O 105 21 - - -
Organisk PCM:
Parafin C18 244 28 - - -
Polyglycol E600 127.2 22 1126 (flytende) 1232 (fast)
143.2 (flytende)
0.189 (flytende)
Fettsyrer:
Melkesyre 184 26 - - -
Blanding av 86.6% caprinsyre og 13.4%
stearinsyre
160 26.8 - - -
Tabell 1: Oversikt over egenskapene til forskjellige faseendringsmedier (Farid et al., 2004), (Kumano et al., 2007) og (Cabeza et al., 2011)
17
Fra tabell 1 er det mulig å observere at vann har en meget høy smelte energi sammenliknet med de andre faseendringsmediene. For å få et forhold til størrelsen på den latente energien som absorberes i faseendringen fra is til vann kan det være interessant å vite at den tilsvarer varmen som må tilføres for å varme opp vann fra 0 til 80 ℃. Grunnen til at materialet ikke er mye brukt som PCM er at faseendringen skjer ved 0 ℃.
Videre kan man lese av den volumetriske smelteenergien til tre av stoffene fra tabellen. Denne størrelsen indikerer hvor mye energi man får per kubikkmeter av faseendringsmediet. Man ønsker jo gjerne å utnytte plassen man har tilgjengelig best mulig, og det er derfor en fordel med høy volumetrisk smelteenergi. Verdiene er beregnet basert på stoffets laveste tetthet ettersom faseendringsmediet utvider seg når det endrer fase. Dette er noe man må ta hensyn til når man setter av plass. Vann har også den høyeste volumetriske smelteenergien.
PCM kan innlemmes i konstruksjonselementer eller byggematerialer på flere forskjellige måter. Den enkleste metoden å innlemme et faseendringsmedium i et byggemateriale på er ved å blande det direkte med gips, betong eller andre porøse materialer. En utfordring knyttet til denne metoden er at lekkasje av PCM kan forekomme når materialet er i flytende fase. En annen teknikk går ut på at konstruksjonselementene dyppes i flytende PCM som blir absorbert grunnet kapillarkrefter. Denne teknikken er også utsatt for lekkasjer av PCM, spesielt etter mange termiske sykluser. En tredje metode er å lage det som på engelsk heter «Shape- stabilized PCM» ved å blande PCM med et støttemateriale. Denne blandingen lages ved høy temperatur slik at materialene er flytende, og etterpå kjøles den ned og blir fast. Vanlige støttematerialer er «high density polyethylene (HDPE)» og «styrene – butadiene – styrene (SBS)». Disse støttematerialene forebygger lekkasjer, men et problem med «Shape-stabilized PCM» er at den termiske konduktiviteten ofte er lav. Å innkapsle PCM før det brukes i konstruksjonselementene er også en teknikk som brukes. En fordel med denne metoden er at den forhindrer lekkasjer (Cui et al., 2015).
PCM vegger er også en måte å utnytte faseendringsmedier på. En type av disse veggene er en såkalt trombe vegg. Det finnes en type uten PCM også som baserer seg på følbar varmelagring, og denne har blitt videreutviklet i versjonen med faseendringsmedium. Veggen består av et matreale som absorberer mye varme, for eksempel betong og eventuelt PCM. Den plasseres bak en glassoverflate som gjerne er vendt mot sør for å maksimere solinnstrålingen.
Trombe vegg systemet lagrer solvarme om dagen, og om natten utnyttes den termiske og eventuelt latente energien til oppvarming. Varmen overføres til romluften ved stråling og i
18
noen typer trombe vegger skjer dette ved konveksjon i tillegg (Jaber and Ajib, 2011). Hvis en trombe vegg inneholder PCM vil det øke varmekapasiteten, og en fordel er at sannsynligheten for at veggens temperatur blir veldig høy reduseres (Cui et al., 2015).
19
3 Tidligere arbeid
Mange tidligere prosjekt- og masteroppgaver ved NTNU har fokusert på tematikken rundt frostsikring av fritidsboliger. Fem av disse vil bli presentert i dette kapittelet for å oppsummere arbeidet som er gjort og de viktigste resultatene. Alle oppgavene er veiledet av professor Per Olaf Tjelflaat. I de utvalgte masteroppgavene er ulike versjoner av en fritidsboligmodell blitt analysert og simulert i programmet ESP-r.
En løsning med en godt isolert indre sone midt i fritidsboligen er sentral i alle oppgavene.
Hensikten med denne indre sonen er å minimere energibruken som kreves for å frostsikre sanitæranlegg og rørsystemer. Dermed reduseres også kostnader og klimagassutslipp knyttet til frostsikring. I tillegg sparer man mye plass i bygningen ved å benytte en slik indre sone ettersom det da bare er denne som må isoleres godt. Resten av fritidsboligen trenger lite isolasjon ettersom det ikke gjør noe at det blir minusgrader her. Når boligen er i bruk kan man for eksempel benytte seg av vedfyring til oppvarming. Forskjellige fritidsboligkonsepter har blitt undersøkt og analysert, og blant annet er ulike muligheter for oppvarming av den indre sonen blitt vurdert.
Figur 3.1 og 3.2 viser prinsippskisser fra ESP-r av fritidsboligmodellen som er benyttet i masteroppgavene. Modellen er felles for oppgavene, men blant annet materialene i bygningskroppen varierer.
Figur 3.1: Skisse av fritidsboligmodellen fra ESP-r sett ovenfra og fra siden (Gråbergsveen, 2014)
20
Figur 3.2: Prinsippskisse av oppbygningen av fritidsboligmodellen i ESP-r (Løge, 2014) I figur 3.1 og 3.2 kan man observere at fritidsboligmodellen har en enkel oppbygning. Videre kan man se den indre sonen som er lokalisert midt i bygningen.
Det har vært fokus på frostsikring av fritidsboliger i fjellområder i Sør-Norge i alle oppgavene. Klimadata fra Östersund representerer disse områdene. Årsaken er at klimafiler bare var tilgjengelig for noen få steder i ESP-r da studenter begynte å arbeide med hytteprosjektet, og Östersund var det stedet med klimaet som liknet mest på de aktuelle områdene. Denne byen har blitt brukt videre for at det skal være mulig å sammenlikne resultater. Fornebu er også blitt brukt i noen av oppgavene, og hensikten er at dette området skal være passende for fritidsboliger i kystklima. Dette stedet ble også brukt ettersom det var et av ganske få tilgjengelige lokasjoner i simuleringsprogrammet ESP-r.
Det som er skrevet om masteroppgavene i dette kapittelet vil hovedsakelig omhandle problematikken rundt frostsikring. Det er gjort en del arbeid knyttet til andre temaer også, og litt av det vil bli tatt med dersom det er relevant. Dersom det er ønskelig med mer utfyllende informasjon går det an å lese de originale masteroppgavene.
21
3.1 Utvikling av konsept for en nullutslipps fritidsbolig
Vårsemesteret 2009 skrev Are Børset masteroppgaven sin, og tittelen er «Utvikling av konsept for en nullutslipp fritidsbolig med en isolert frostfri indre sone og soloppvarmet vannmagasin». Oppgaven fokuserte på å utvikle et energikonsept for fritidsboliger med frostfrie sanitærinstallasjoner og med svært lavt klimagassutslipp. Programmet ESP-r ble benyttet til å simulere bygningen, og den er tenkt plassert i Östersund. Et sentralt tema er frostsikring, og det er undersøkt hvordan et solfangeranlegg som er koblet til en varmtvannstank kan utnyttes til dette formålet. Den soloppvarmede vanntanken er plassert i en indre sone. Fritidsboligen relativt godt isolert, og oppfyller kravene i TEK-07 (Børset, 2009).
Figur 3.3 og 3.4 viser prinsippskisser av fritidsboligkonseptet i Børset sin masteroppgave.
Figur 3.3: Prinsippskisse av fritidsboligen i Børset sin masteroppgave
22
Figur 3.4: Prinsippskisse i snitt av fritidsboligen i Børset sin masteroppgave
Fra figur 3.3 og 3.4 kan man se hvordan fritidsboligen til Børset er bygd opp. Man kan observere at den indre sonen består av to deler, en i kjelleretasjen og en i første etasje.
Vanntanken er plassert i kjellerdelen av sonen.
For å varme opp den indre sonen blir solenergi aktivt ført inn dit ved hjelp av solvarmeanlegget. Anlegget består av en plan solfanger som varmer opp vannet i varmtvannstanken. En sirkulasjonspumpe får systemet til å fungere. Børset har sett på hvordan temperaturen i vanntanken og de to indre sonene påvirkes når forskjellige parametere i modellen varieres (Børset, 2009).
Simuleringene viste at en varmtvannstank på 4 m3 som er koblet til en solfanger på 4.8 m2 med en helningsvinkel mot sør på 70 grader, så vidt holder den indre kjellersonen frostfri. For at temperaturen i den delen av den indre sonen som ligger i første etasje også skal holdes frostfri må volumet på tanken opp til 6 m3. Det er åpenbart at en så stor vanntank vil ta svært mye plass i fritidsboligen i tillegg til å være relativt dyr. Børset foreslår at man kan fordele vanntankens volum mellom de to indre sonene for å utnytte solvarmen bedre. Det er også mulig å øke solfangerens areal fra 4.8 til 9.6 m2. Da vil en tank på 2 m3 være nok for å frostsikre den indre kjellersonen (Børset, 2009).
Børset har også sett på hvordan standarden på fritidsboligens isolasjon påvirker energibehovet til frostsikring. Han har variert U-verdien på ytterveggene slik at to versjoner av fritidsboligen er modellert etter TEK-07, en følger kravet om laftede yttervegger i TEK-07 og en har
23
yttervegger med U-verdier fra TEK-97. Energibehovet for frostsikring er presentert i tabell 2 og i figur 3.5.
Energibehov for å holde hele bygningen over 0 ℃ i et år [kWh]:
Energibehov for å holde den indre sonen over 0 ℃ i et år [kWh]:
Fritidsbolig med laftede yttervegger
1480.5 74.1
Fritidsbolig etter TEK-97 708.1 51.9
Fritidsbolig etter TEK-07 605.6 47.2
Fritidsbolig etter TEK-07 med soloppvarmet vanntank
507.0 1.7
Tabell 2: Energibehov for ulike bygningskonstruksjonene (Børset, 2009)
Figur 3.5: Elektrisitetsbehov til frostsikring for ulike fritidsboliger (Børset, 2009)
Fra tabell 2 og figur 3.5 er det mulig å se at variasjon mellom de forskjellige fritidsboligmodellene er relativt store. Det krever en del mer elektrisitet for å frostsikre en laftet fritidsbolig, spesielt hvis man må varme opp hele bygningsvolumet. Videre er det tydelig at å benytte en indre isolert sone som huser sanitærinstallasjonene reduserer elektrisitetsbehovet til frostsikring kraftig.
24
3.2 LCA vurdering av konsepter for en fritidsbolig
Torbjørn Bratteberg skrev masteroppgaven sin i 2010, og den har tittelen «LCA vurdering av konsepter for fritidsbolig med frostsikre sanitærinstallasjoner». Livsløpsanalyse (LCA) av en fritidsbolig er hovedtemaet. En slik analyse går ut på å evaluere bygningens totale miljøpåvirkning gjennom hele dens livssyklus. Bratteberg har fokusert mest på CO2-utslipp i sin LCA. Oppgavens visjon er å frostsikre sanitærinstallasjonene uten å benytte direkte elektrisk oppvarming eller energikilder som gir netto klimagassutslipp (Bratteberg, 2010).
Bratteberg har utført en livssyklusanalyse på ni ulike konsepter for en fritidsbolig i programmet SimaPro, og hovedresultatene fra dette arbeidet kan observeres i figur 3.6.
Figur 3.6: Resultater fra utført livssyklusanalyse på ni ulike hyttekonsepter (Bratteberg, 2010) I konsept 3, 6 og 9 i figur 3.6 frostsikres hele fritidsboligen, mens i resten varmes bare den indre sonen opp. De tre første konseptene i figuren representerer en lett konstruksjon på trepåler. Konsept 1 har et solcelleanlegg på taket, mens konsept 4 og 5 varmes opp av en panelovn. Konsept 4 forestiller en laftet hytte med et solfangeranlegg og en varmtvannstank i den indre sonen, og alternativ 5 og 6 viser den samme bygningen med direkte elektrisk oppvarming. Konsept 7 til 9 representerer en tyngre rammeverkskonstruksjon som står på et
25
betongfundament. Alternativ 7 har et solcellesystem som er koblet til et batteri som energikilde, mens konsept 8 og 9 har en panelovn til oppvarmingsformål (Bratteberg, 2010).
Det kommer tydelig frem fra figur 3.6 at en fritidsbolig laget av lette konstruksjonsmaterialer har mindre klimagassutslipp i bygge- og avhedingsfasen, og høyere i bruksfasen. For tunge konstruksjoner er det omvendt med mindre utslipp i bruksfasen og høyere i bygge- og avhedingsfasen.
Dersom nettilknytning ikke er mulig kan man benytte seg av hyttekonsept 4 eller 7. Det kommer frem fra figur 3.6 at en laftet fritidsbolig med et termisk solfangeranlegg, altså konsept 4, gir minst CO2-utslipp.
Dersom nettilknytning er mulig kommer konsept 1 best ut. Som nevnt er dette konseptet en laftet fritidsbolig på påler med et solcellesystem som er koblet til strømnettet. For dette alternativet leveres strømmen fra solcellepanelet til elektrisitetsnettet i solfylte perioder.
Strømnettet fungerer da som et slags batteri ettersom solcellepanelet gjerne produserer mest elektrisitet om sommeren, og behovet for oppvarming er størst om vinteren. Å selge strøm fra solcelleproduksjon til elektrisitetsnettet er ganske uvanlig i Norge i dag, men det er godt mulig at det vil bli mer populær i nær fremtid. Å benytte et batteri med stor kapasitet som kan lades opp om sommeren og benyttes om vinteren er også en mulighet. Foreløpig er slike batterier relativt dyre, men det er sannsynlig at utviklingen vil gå raskt på dette området. Figur 3.7 viser en prinsippskisse av konsept 1.